周传忠，俞 川，郭文龙，范小龙，于 雷

（1.海军装备部天津军事代表局，北京100013；2.北京航星机器制造公司，北京100013）

BT-14 钛合金是一种可强化热处理的钛合金，具有良好的焊接性、热稳定性、耐腐蚀性，在航空航天领域有广泛的应用。BT-14钛板为某型号舱体结构用材料，在对BT-14钛板制成的舱口盖进行焊前检查时，发现总共13 件舱口盖表面有数量不等、白色圆状的斑点。继续使用带白斑的舱口盖可能存在安全隐患，报废则将造成较大的经济损失[1-2]。针对白斑组织对舱口盖的使用性能影响不详，本文从白斑组织的外观形貌、微观组织以及力学性能等方面入手，分析了白斑组织对舱口盖使用性能的影响，提出解决措施，并针对后续钛板的使用问题提出了相关质量要求。

1 白斑分析

1.1 外观形貌

白斑出现在某型号舱体舱口盖外盖上，见图1。经观察，白斑组织贯穿整张板材，其颜色明显区别于板材基体颜色，直径大致在10～13 mm之间。外盖上各白斑尺寸、形貌较为一致，由图2 可见，白斑由光亮圆形区域和亮灰色圆环组成[3]。

图1 带白斑舱口外盖

图2 白斑形貌

1.2 化学成分分析

舱口外盖原材料为厚度为1.2 mm 的BT-14 钛板。为揭示白斑组织的化学成分，对白斑数量最多的外盖进行了试片切割，对试片表面进行能谱分析，结果见表1。能谱结果表明，白斑区域Si、Fe元素含量超标，且还有一定量的W元素。Si元素对钛合金的硬度和强度有一定影响，随着Si 元素含量的增高，硬度和强度逐渐增大[4-5]。

表1 钛合金板表面能谱分析（质量分数） %

1.3 微观组织分析

将带有白斑的外盖试片用丙酮清洗后放入扫描电镜，进行微观观察。基体区域微观组织形貌见图3，由图可见，组织均匀，晶粒大小一致，形状较规则。白斑区域微观组织形貌见图4，由图可见，晶粒较基体区域晶粒明显粗大，且形状不规则，有一定的破碎。

图3 基体区域表面形貌

图4 白斑区域表面形貌

1.4 金相组织分析

对含白斑的外盖进行剖切，打磨、抛光腐蚀后制成金相试片。金相试片分2 种：基体区域金相试片和白斑区域金相试片。

1）基体区域金相组织。外盖基体组织均匀细密，细小晶粒沿轧制方向分布，见图5。

图5 基体区域组织

2）白斑区域金相组织。由于白斑组织贯穿外盖整张板材，可将白斑区域细分为3个：白斑区域外表面侧、白斑区域中间位置、白斑区域内表面侧，分别如图6所示。①白斑区域外表面侧。白斑区域外表面侧为典型的针状马氏体组织，见图7。②白斑区域中间位置。中间位置的组织晶粒尺寸较大，为过热区组织，见图8。③白斑区域内表面侧。内表面侧形成一层氧化膜层，厚度约为50 μm，颜色明显深于其他组织，见图9。氧化膜层与过热区组织存在呈条状分布的α′相组织[6-7]，见图10。

图6 白斑区域组织

图7 针状马氏体组织

图8 过热区组织

图9 氧化膜层组织

图10 条状α′相组织

1.5 性能分析

1）硬度分析。对外盖基体区域和白斑区域分别进行硬度检测，测量结果见表2。白斑区域组织硬度值明显高于基体区域组织硬度值，且相差较大。

表2 维氏硬度测试结果（HV0.3）

2）拉伸性能分析。为检测白斑组织对合金的拉伸性能可能造成的影响，制作拉伸试片，对合金的拉伸性能进行了分析。根据GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》中矩形横截面试样切取拉伸试片，试片拉伸有效宽度10 mm，拉伸有效长度45 mm，并将白斑处于拉伸试片中间位置，见图11所示。对试片进行拉伸试验，试片断裂位置位于白斑与基体的过渡区，如图12所示。

图11 拉伸试片

图12 断裂试片

拉伸试验结果见表3，由表可看出，白斑区域组织的抗拉强度处于BT-14钛合金板材正常抗拉强度范围的上限，但延伸率有所下降。

表3 拉伸试验数据表

通过对白斑区域组织的化学成分、微观形貌、金相组织以及力学性能分析，可得出如下结论：白斑区域组织的化学成分中，Si、Fe元素含量超出正常标准，且含一定量的W 元素。外盖基体组织中晶粒均匀致密，白斑组织中晶粒呈明显长大趋势，且组织中含针状马氏体组织和等轴状分布的α相组织。Si、Fe 元素增加以及W元素的存在均会增加白斑组织的硬度；晶粒粗大以及针状马氏体组织的存在使白斑组织拉伸强度增大，延伸率降低[8]。

2 白斑成因分析

舱口盖外盖成型过程需经过原材料下料、热轧、激光切割、圈圆、热成型、酸洗、点焊等工序。所需工序及相应技术条件见表4。

表4 盖板加工工序表

外盖材料为BT-14合金，属典型的α+β组织合金，其相变点温度约为920～960 ℃。当外界温度高于合金相变点温度时，合金将产生α+β →β的同素异晶转变。随着温度在α+β区内的升高，到转变温度前，在组织中可看到初生α相的数量减少和原始β晶粒内针状析出。如温度继续升高，合金组织可能过热，导致晶粒粗大甚至破裂。β相属于亚稳定相，当合金温度下降时，会发生β →α′马氏体转变。α′相具有典型的马氏体针状组织结构，可提高合金的硬度和强度[9-10]。

通过对外盖白斑组织的分析，组织中存在针状马氏体和等轴状分布的α′相组织，合金受热温度超过相变点温度，从而产生了同素异晶转变，且合金在快速冷却过程中，形成了马氏体组织。从外盖的加工工序可得，零件在厂内加工时，经历最高温度为热成型工序加工温度620 ℃，未超过合金的相变温度。因而厂内加工工序不会导致白斑的形成。外盖板材入厂前，热轧温度约为950±50 ℃，可达到BT-14钛合金的相变温度。如果热轧过程中，防氧化涂层涂抹不均匀或加热温度过高，都可能导致白斑的生成。由于钛合金活性较大，在空气中表面易形成氧化膜，板材入厂时不经表面腐蚀难以发现白斑。后续对板材酸洗、加工时，氧化膜被清除，露出白斑[11]。

3 处理措施

3.1 舱口盖力学环境分析

舱口盖外盖（见图13）通过点焊的方式与舱口盖下层框架（见图14）连接在一起，组成舱口盖，舱口盖通过螺接的方式安装到舱体上。

图13 舱口盖外盖图

图14 舱口盖框架

按舱口盖成型结构划分，外盖被纵横交叉的焊点分割成11个单元，示意图见图15、图16。舱口盖通过40 个螺钉安装于舱体上，由于螺钉拧紧力作用，图16所示11 单元承受载荷较大。同时，图16 中各区域的交界处由于外盖弯曲产生的扭转载荷和外盖与框架焊接焊点的牵引载荷相互作用，使交界处承受较大载荷。通过有限元等对舱口盖的受力环境进行模拟分析，图16 所示中11 单元以及各区域交界处的承受载荷约为舱口盖其它区域的1.5倍。

图15 舱口盖承力区域划分（剖面图）

图16 舱口盖承力区域划分（对应图）

基于对白斑的组织、性能分析，白斑组织抗拉强度满足BT-14 钛合金板材基体组织要求，但延伸率有所降低。当白斑处于舱口盖所受载荷较小区域时，其变形受焊点阻隔，虽延伸率有所降低，但并不是舱口盖最薄弱点，可通过真空退火等措施优化白斑区域晶体组织，消除内应力，提高塑性，使其满足使用要求。当白斑处于舱口盖主要承载区域时，组织所受的弯曲、扭转力矩较大，虽未超出合金的最大抗拉强度，但长时间承载条件下，从安全性角度不宜再继续使用[12]。

3.2 在制品处理措施

通过分析、统计剩余12件舱口盖（1件用于制作拉伸试片）上的白斑分布，制定出不同处理措施，见表5。

表5 带白斑舱口盖处理措施

3.3 后续质量控制措施

钛合金板材入厂时，表面有一层氧化膜。为保证板材后续加工生产中，能及时发现白斑或其他表面缺陷，消除安全隐患，制定如下措施：①在钛合金板材的酸洗后检验工序中，加强对零件表面白斑或其他表面缺陷等异常现象的检查。②对重要的非焊接、非热成形零件表面，加工前增加酸洗检验等措施。③对发现的白斑或其他表面缺陷，分析其成因、组织、性能及对使用性能的影响，确保质量及可靠性。

4 结论

本文通过对某产品舱体舱口外盖上白斑问题的分析处理，阐述了BT-14 钛合金板材白斑组织产生的机理、表象，并对其组织和性能进行分析，由此制定舱口盖的相关处理措施。其白斑形成机理、白斑组织性能影响、质量控制措施可为其他钛合金板材的表面缺陷分析和零件加工使用提供借鉴和参考。

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